郭科
山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司,山西太原 030006
國內(nèi)高等級公路絕大部分采用半剛性材料基層及底基層,其中水泥穩(wěn)定碎石材料抗壓強度大,承載力強,穩(wěn)定性能好,應用廣泛[1-2]。水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能良好,但存在早期開裂、耐久性不良等突出問題,容易造成瀝青路面開裂、坑槽等病害發(fā)生[3-4]。因此,研究改善水泥穩(wěn)定碎石材料性能及早期開裂等問題具有重要意義。
通過路況調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn),造成水泥穩(wěn)定碎石基層開裂的主要原因是基層材料的收縮性能[5]。國內(nèi)外大量研究表明在水泥穩(wěn)定碎石材料中添加乳化瀝青可有效改善材料的相關(guān)性能,減少材料開裂的可能性[6-7]。國外對乳化瀝青與水泥組成的復合性材料研究較早,Terrel等[8]研究認為乳化瀝青對半剛性基層的開裂有一定改善作用。Orucs等[9]研究發(fā)現(xiàn)加入乳化瀝青可在一定程度上提升密級配水泥穩(wěn)定碎石材料力學性能和抵抗永久變形能力。國內(nèi)袁文豪等[10]研究分析了水泥乳化瀝青膠漿的路用性能,探討了摻加乳化瀝青后材料性能的變化規(guī)律。趙宏興[11]通過試驗表明,摻乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石材料的剛性降低,抗干縮開裂能力提高。王一琪等[12]通過電阻應變片測定摻入乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石試件,其抗溫縮性能得到了有效改善。周圓[13]研究認為加入乳化瀝青可有效減少水泥穩(wěn)定碎石的干縮量,提高柔度、抗變形能力和抗凍性。目前,研究摻加乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料性能的控制指標及施工應用的研究較少,本文綜合分析摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石材料的力學性能,并通過材料和易性能進行驗證,以期為施工應用與工程研究提供參考。
試驗采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,礦料為閃長巖,由90#基質(zhì)瀝青生產(chǎn)得到的乳化瀝青,對原材料性能進行檢測,測試結(jié)果滿足要求,如表1所示。
表1 乳化瀝青材料性能測試
骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石材料級配范圍如表2所示。骨架密實型基層結(jié)構(gòu)的性能好,應用廣泛。
表2 水泥穩(wěn)定碎石材料級配
根據(jù)工程施工條件,為便于分析試驗中的影響因素,采用同時在石料中添加水泥、乳化瀝青2種材料的方式[14],且試驗中水泥、乳化瀝青2種材料的摻量均采用外摻法確定,并使用和易性能測試設備對水泥穩(wěn)定碎石材料進行充分拌和成型。
根據(jù)施工及已有研究成果[15],擬采用水泥與石料的質(zhì)量比m分別為3%、5%進行重型擊實試驗,確定最佳含水率、最大干密度。根據(jù)試驗結(jié)果,在m為3%、5%條件下,水泥穩(wěn)定碎石材料最佳含水率分別為4.9%、5.2%,最大干密度為2.324、2.352 g/cm3。
水泥水化作用和乳化瀝青破乳粘結(jié)是水泥穩(wěn)定碎石材料強度形成的基礎(chǔ)[16],分析不同水泥與瀝青質(zhì)量比下,水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度與彎拉強度。
無側(cè)限抗壓強度是表征半剛性基層材料性能的重要指標。按照文獻[17]對試件成型并養(yǎng)護7 d后,測試試件的無側(cè)限抗壓強度,如表3所示(n為乳化瀝青與石料的質(zhì)量比)。
表3 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果
由表3可知:m相同的情況下,隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料無側(cè)限抗壓強度呈下降趨勢;在m=3%時,n=2%的乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度比n=0時降低了14.29%;n=4%的乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度比n=0降低了37.14%。
通常條件下,道路基層的7 d無側(cè)限抗壓強度應不低于2.5 MPa[18]。由表3可知:當m=3%、n=4%時,7 d無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果不滿足基層材料應用要求,因此在實際應用中應注意乳化瀝青與石料質(zhì)量比的控制。
試驗結(jié)果表明n對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗壓強度有一定影響,乳化瀝青摻入水泥穩(wěn)定碎石材料后,雖然可填充水泥穩(wěn)定碎石材料的大量孔隙,使骨架更密實,但乳化瀝青包裹在水泥水化晶體表面,阻礙了水泥的進一步水化反應,降低了水泥穩(wěn)定碎石材料的整體抗壓強度[19]。
采用標準條件養(yǎng)護28 d后的梁式試件,在試驗機上采用三分點應變加載模式測試彎拉強度指標,記錄試件破壞時的彎拉強度與極限變形量,如表4所示。彎拉強度測試過程與結(jié)果能較好反映道路基層在車輪荷載作用下的工作性能及特點[20]。
表4 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料彎拉強度及極限變形量試驗結(jié)果
由表4可知:m相同時,水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強度隨n的增大呈下降趨勢;當m=3%時,n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強度比n=0時約降低6.87%,極限變形量約增大45.16%;當m=3%時,n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強度比n=0時約降低12.21%,極限變形量約增大100.00%;n相同時,水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強度隨m的增大而增大,極限變形量隨m的增大而減小。
n對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗彎拉性能有一定影響。瀝青柔性好、延度大,摻入乳化瀝青后,水泥穩(wěn)定碎石材料的柔韌性能得以改善[21-22],抗彎拉變形能力有了明顯提高。
采用凍融試驗評價半剛性基層的抗凍性能,測試經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的成型試件的飽水無側(cè)限抗壓強度,與凍前飽水無側(cè)限抗壓強度進行對比。殘留抗壓強度比為試件經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的飽水無側(cè)限抗壓強度與凍前飽水無側(cè)限抗壓強度之比,如表5所示。
表5 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料殘留抗壓強度比試驗結(jié)果 %
由表5可知:m相同時,隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強度比增大;當m=3%,n=2%時,水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強度比比n=0時約增大5.18%;當m=3%,n=4%時,水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強度比比n=0時約增大11.74%;在n相同時,殘留抗壓強度比隨m的增大而降低。
n對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性能有一定影響,乳化瀝青摻入水泥穩(wěn)定碎石材料后,可填充大量孔隙,水泥穩(wěn)定碎石材料整體更為密實[23],減小水進入孔隙的可能,乳化瀝青包裹在水泥表面,減弱了后期水對水泥及水泥穩(wěn)定碎石材料的整體影響。
采用半剛性基層的干縮性能評價材料由于水的質(zhì)量分數(shù)變化而引起的體積收縮現(xiàn)象。測試成型試件按標準方法養(yǎng)護7 d后的干縮系數(shù)α,試驗結(jié)果如表6所示。
表6 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的α試驗結(jié)果
由表6可知:m相同時,隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的α減??;在m=3%時,n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的α比n=0時降低15.26%,n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的α降低比n=0時33.47%;n相同時,α隨m的增大而增大。
摻入乳化瀝青后,水泥穩(wěn)定碎石材料的α減小,基層抗低溫開裂性能提高,道路整體的耐久性能提高。
溫縮性能是溫度降低導致材料體積整體發(fā)生的收縮現(xiàn)象。通常在半剛性基層施工后,材料的收縮是因含水率變化而導致的干燥收縮與溫度變化導致的溫度收縮共同作用形成[24]。按標準方法成型試件后,采用儀表法進行溫縮系數(shù)γ測定,試驗中測試溫度設定為30、20、10、0、-10、-20 ℃,結(jié)果如表7所示。
表7 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的γ試驗結(jié)果
由表7可知:m相同時,隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的γ減?。辉趍=3%時,n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的γ比n=0時約降低8.63%,n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的γ比n=0時約降低19.98%;在n相同時,γ隨m的增大而增大。
在水泥穩(wěn)定碎石中摻入一定量的乳化瀝青,材料的γ降低,溫縮性能明顯提高,水泥穩(wěn)定碎石材料整體的抗收縮性得到改善。
采用和易性試驗分析乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的施工性能。和易性試驗可分析與表征材料的工作性能,以碎石材料在拌和過程中產(chǎn)生的穩(wěn)定扭矩為指標,判斷與評價在特定條件下水泥穩(wěn)定碎石材料是否適合攤鋪與碾壓[25]。測試水泥穩(wěn)定碎石材料在拌和過程中形成的穩(wěn)定扭矩,扭矩相同時即認為材料的工作性能相近,排除礦料級配類型、水泥用量等因素影響,認為在該條件下水泥穩(wěn)定碎石材料的施工特性相似,施工中攤鋪與碾壓的難易程度相似[26]。
試驗中測試設備的攪拌頻率為35 Hz,水泥穩(wěn)定碎石材料質(zhì)量為20 kg。試驗時每個拌和時間測試5組,m=3%,穩(wěn)定扭矩結(jié)果取平均值,如表8所示。
表8 水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能試驗穩(wěn)定扭矩結(jié)果
根據(jù)文獻[27],水泥穩(wěn)定碎石材料采用集中廠拌法施工時,延遲時間不應超過120 min。結(jié)合實際施工條件,將未摻乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石在拌和時間為120 min時的扭矩作為施工中適合材料攤鋪時的扭矩。由表8可知:適合攤鋪的水泥穩(wěn)定碎石材料扭矩為2.846 N·m。m不同時,對摻入乳化瀝青后的水泥穩(wěn)定碎石材料進行和易性能測試,試驗中水泥穩(wěn)定碎石材料的拌和后養(yǎng)護時間均為60 min,測試結(jié)果如表9所示。
表9 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能試驗結(jié)果
由表9可知:m相同時,隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的穩(wěn)定扭矩逐漸增大;在m=3%時,n=2%的材料穩(wěn)定扭矩比n=0時約增大9.27%,n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料穩(wěn)定扭矩比n=0時約增大14.15%;n相同時,穩(wěn)定扭矩隨m的增大而增大。
摻入乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石材料的扭矩增大,表明乳化瀝青破乳后材料的黏稠程度增大,對水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能有明顯影響。通過試驗確定摻入乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的攤鋪時間應控制在60 min內(nèi),以保證施工質(zhì)量。
分析摻入乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的綜合路用性能,當m=3%時,與n=0時相比,n分別為2%、4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的力學性能指標變化率如表10所示。
表10 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料力學性能測試指標變化率 %
由表10可知:隨n的增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度、施工和易性能降低,抗彎拉性能、抗凍性能、干縮與溫縮性能得以改善,可認為摻加乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石的總體路用性能優(yōu)于未摻加乳化瀝青,適用于低溫、溫差變化較大、中輕交通等區(qū)域的道路基層與底基層。
隨n增大,水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強度下降幅度較大,變化較為敏感,可將無側(cè)限抗壓強度作為指標,控制n及水泥穩(wěn)定碎石材料的性能。
1)摻入乳化瀝青后,水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度下降幅度較大,實際工程中可將無側(cè)限抗壓強度指標用于優(yōu)選并控制乳化瀝青與石料的質(zhì)量比。
2)在水泥穩(wěn)定碎石中摻入乳化瀝青可改善抗彎拉、干縮、溫縮性能,提高材料整體的密實性,有效提高材料整體的抗裂性和抗凍性能,可適用于低溫、溫差變化較大、中輕交通等地區(qū)的道路基層與底基層。
3)摻入乳化瀝青后,水泥穩(wěn)定碎石材料的和易性能受到影響,在施工前應進行材料和易性試驗,在摻加與石料的質(zhì)量比為2%的乳化瀝青時,水泥穩(wěn)定碎石材料攤鋪的最大延遲時間應控制在60 min左右。